Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2022, № 1, стр. 20-29

ВВЕДЕНИЕ

Термин “(смешанные) карстово-суффозионно-обвальные провалы” впервые (по крайней мере, в методической литературе) был предложен в 1995 г. И.А. Саваренским и Н.А. Мироновым [4], которые понимали под этим словосочетанием некоторую переходную форму между карстово-суффозионными и карстово-обвальными провалами. Аналогичной позиции придерживался и один из авторов данной статьи, пока в 2005 г. не предложил применять этот термин для наименования самостоятельной генетической разновидности карстовых провалов [7], которую он ранее квалифицировал как подтип карстово-суффозионных провалов [5].

В качестве английского эквивалента термина “карстово-суффозионно-обвальный провал” В.П. Хоменко и В.В. Толмачевым было предложено использовать словосочетание “liquefaction-collapse sinkhole” [10], поскольку в формировании таких провалов важную роль играет разжижение несвязных дисперсных пород (liquefaction). Это было установлено экспериментально [5], и тем самым подтвердились ранее высказанные на этот счет теоретические предположения [2, 3].

Есть все основания предполагать, что карстово-суффозионно-обвальное провалообразование распространено гораздо шире, чем это можно себе представить, особенно, если оно имеет природное происхождение, связанное с растворением карстующихся пород, однако доказать это довольно трудно. Идентифицировать карстово-суффозионно-обвальные провалы бывает намного легче, когда их происхождение связано с действием техногенных факторов и при этом отчетливо прослеживаются причинно-следственные связи. Обычно в таких случаях этот тип провалообразования начинает замещать карстово-суффозионное провалообразование фреатического типа [9] при нарушении гидродинамического режима подземных вод. Можно привести два наиболее ярких примера такого рода.

Первый связан с ситуацией, сложившейся в поселке Итода, находящемся в уезде Тагава префектуры Фукуока (Япония), где в 1952 г. начали появляться провалы, имеющие в плане размеры от 2 до 12 м и глубину до 4 м, что сопровождалось деформациями зданий и сооружений [11]. Поселок расположен в районе угольного месторождения Чикухо на территории, где закарстованные палеозойские известняки перекрыты четвертичными песками мощностью от 2 до 5 м. Первоначально уровень подземных вод располагался выше кровли известняков, но в результате шахтного водоотлива он стал снижаться, и это вызвало появление карстово-суффозионных провалов фреатического типа. Затем в результате закрытия угольных шахт началось восстановление уровня подземных вод, что привело к карстово-суффозионно-обвальному провалообразованию. Всего в течение 17 лет сформировалось около 90 карстовых провалов обоих генетических типов.

Вторым примером служит карстовое провалообразование вблизи крупного водозабора подземных вод в промышленной зоне г. Дзержинск Нижегородской области. Отбор воды шел из двух водоносных горизонтов, разделенных водоупорным пластом верхнепермских глин (средней мощностью около 14 м): безнапорных надкарстовых вод, присутствующих в вышележащих четвертичных песках (средней мощностью около 50 м), и напорных карстовых вод в нижележащих верхнепермских известняках и доломитах.

Водозабор начал работу в 1935 г. и до 1960 г. откачивал только надкарстовые воды, что привело к снижению их уровня на 12 м. С 1960 г. началась эксплуатация карстовых вод, в результате чего их пьезометрический напор был снижен на 15 м. С конца 1970-х гг. интенсивность отбора воды из обоих водоносных горизонтов постепенно снижалась. В 1967 г. на участке водозабора появился первый провал, в 1975 и 1976 г. – еще три, а с 1981 г. провалообразование резко возросло. В этот период, совпадающий с периодом восстановления уровней воды в обоих водоносных горизонтах, за 4 года возникло 10 провалов диаметром от 4 до 14 м и глубиной от 1 до 5 м, один из которых показан на рис. 1. К серьезному материальному ущербу это к счастью не привело.

Рис. 1.

Карстово-суффозионно-обвальный провал, образовавшийся в 1982 г. в г. Дзержинск Нижегородской обл. на участке водозабора подземных вод в период снижения интенсивности их эксплуатации.

Согласно интерпретации В.П. Хоменко [6], на стыке 1970-х и 1980-х гг. на рассматриваемом участке суффозионное разрушение песков нисходящим фильтрационным потоком сменилось их фильтрационным разрушением восходящим фильтрационным потоком. Иными словами, в Дзержинске в принципе произошло то же, что в японском поселке Итода: вместо карстово-суффозионных провалов фреатического типа стали формироваться карстово-суффозионно-обвальные провалы. Однако следует отметить, что существует не диаметрально противоположный, но несколько иной взгляд на этот вопрос [1].

Таким образом, геологические условия, в которых проявляется карстово-суффозионно-обвальное провалообразование, характерны для разных регионов планеты, а сам этот феномен представляет серьезную опасность для объектов строительства и окружающей среды. Вместе с тем процесс формирования карстово-суффозионно-обвальных провалов изучен недостаточно, а его прогнозирование сталкивается с трудностями объективного характера.

ПРИРОДА ФЕНОМЕНА

Для формирования карстово-суффозионно-обвального провала необходимы следующие геологические условия:

1) в растворимых породах должны присутствовать раскрывающиеся в их кровле карстовые полости или расширенные трещины, лишенные заполнителя;

2) растворимые породы могут быть перекрыты водонепроницаемым слоем, содержащим сквозные нарушения сплошности (щели), контактирующие с трещинами или полостями, присутствующими в растворимых породах;

3) над растворимыми породами или над перекрывающим их водоупором должны залегать водонасыщенные или неводонасыщенные несвязные дисперсные породы.

В этих условиях по разным причинам, имеющим как естественный, так и искусственный характер, может начаться прерывистое фильтрационно-гравитационное разрушение несвязных грунтов, перекрывающих растворимые породы.

Как показали эксперименты [5, 6], это разрушение протекает в виде цикличного формирования сменяющих друг друга полостей двух типов: заполненных (полости разжижения) и не заполненных (полости обрушения) водой. Вторые ограничены сверху параболоидными сводами и возникают над первыми в результате обрушения их кровли, а первые образуются на месте вторых после их заполнения вытесненной водой и имеют форму обращенных вершиной вниз конусов (рис. 2).

Рис. 2.

Результаты лабораторного физического моделирования процесса формирования карстово-суффозионно-обвального провала, вызванного подъемом уровня подземных вод выше кровли растворимых пород, перекрытых несвязными дисперсными породами. Последовательное разрушение несвязных пород: (а) разжижение; (б) обрушение; (в) разжижение и обрушение; (г–е) обрушение; (ж) разжижение и обрушение; (з) обрушение в виде провала.

Процесс начинается в зоне контакта несвязных пород с входом в карстовую полость или расширенную трещину, или с входом в сообщающееся с ней сквозное нарушение сплошности водоупорного пласта, покрывающего растворимые породы. Дальнейшее разрушение дисперсных пород, которое можно назвать суффозионно-обвальным, распространяется снизу вверх внутри некоторой конусообразной области (рис. 3), но не выше пьезометрического уровня воды, присутствующей в растворимых породах. Если ширина верхней части этой области окажется достаточной для обрушения вышележащих несвязных или связных дисперсных пород с выходом на земную поверхность, на ней появится провал.

Рис. 3.

Финальная стадия формирования карстово-суффозионно-обвального провала. 1 – растворимые породы; 2 – несвязные дисперсные породы; 3 – уровень подземных вод; 4 – несвязные или связные дисперсные породы; 5 – провал.

Следует также отметить, что продвижение вверх фронта разрушения дисперсных пород может быть приостановлено при наличии слоев связных пород в их толще. Если один из них имеет достаточно большую мощность, разрушение не продвинется выше его подошвы. В противном случае этот слой тоже будет вовлечен в суффозионно-обвальный процесс.

Что касается начальной стадии развития суффозионно-обвального процесса, то возможны два варианта развития событий, тесно связанные с вызывающими их причинами. Можно было бы выделить два подтипа карстово-суффозионно-обвальных провалов по характеру начального разрушения несвязных пород, однако это нецелесообразно, потому что в дальнейшем процесс формирования провала в обоих случаях развивается одинаково.

Разрушение несвязных пород может начаться в виде их разжижения, что может быть вызвано тремя причинами. Первая причина – динамические или ударные воздействия на водонасыщенные несвязные породы, в том числе при гидравлическом ударе, сопровождающем карстово-обвальное провалообразование “сложного” типа [8]. Второй причиной может послужить внезапное появление сквозного нарушения в водонепроницаемом слое, перекрывающем полость растворения, например, в результате его “случайного гидроразрыва” по А.В. Аникееву [1]. Обе эти причины “сработают” только если несвязные породы насыщены водой, а пьезометрический уровень воды в растворимых породах превышает уровень подошвы несвязных пород. Третьей причиной является появление в водонасыщенных несвязных породах восходящего фильтрационного потока, в том числе, при подъеме уровня подземных вод выше кровли растворимых пород, когда перекрывающие их несвязные породы не насыщены водой, как это показано на рис. 2 и 4.

Рис. 4.

Первый вариант начальной стадии формирования карстово-суффозионно-обвального провала: (а) подъем уровня подземных вод; (б) разжижение; (в) обрушение. 1 – растворимые породы; 2 – неводонасыщенные несвязные дисперсные породы; 3 – уровень подземных вод; 4 – полость растворения, частично заполненная водой; 5 – полость разжижения, заполненная водой; 6 – неводонасыщенные несвязные породы, испытавшие обрушение; 7 – полость обрушения, незаполненная водой.

Другой вариант начала процесса разрушения несвязных пород – их обрушение, которое может быть вызвано только расширением полости растворения (рис. 5). Такого развития событий в основном следует ожидать в ходе естественного протекания карстового процесса.

Рис. 5.

Второй вариант начальной стадии формирования карстово-суффозионно-обвального провала: (а) расширение полости растворения; (б) обрушение; (в) разжижение. 1 – растворимые породы; 2 – водонасыщенные несвязные дисперсные породы; 3 – полость растворения, заполненная водой; 4 – водонасыщенные несвязные породы, испытавшие обрушение; 5 – полость обрушения, незаполненная водой; 6 – полость разжижения, заполненная водой.

ПРОГНОЗ ПАРАМЕТРОВ ПРОВАЛООБРАЗОВАНИЯ

На основе концептуальной модели карстово-суффозионно-обвального провалообразования была разработана методика прогностической оценки его опасности для существующих или проектируемых сооружений на расчетно-теоретической основе. Ранее предложенные решения [6] не включали определение критической ширины первоначальной полости обрушения дисперсных пород, не предлагали упрощенных вариантов прогностических расчетов для условно однородных толщ и не учитывали параметров сооружения, под фундаментом которого формируется провал. Статья призвана устранить эти пробелы.

Расчет радиуса нижней части области суффозионно-обвального разрушения (рис. 6а)

Рис. 6.

Схемы к прогностической оценке: (а) радиуса нижней части области суффозионно-обвального разрушения; (б) возможности вовлечения слоя связных пород в суффозионно-обвальный процесс; (в) диаметра провала, формирование которого вызвано подъемом уровня подземных вод выше кровли растворимых пород (упрощенный расчет); (г) диаметра провала и возможности его формирования в условно однородной толще несвязных пород при наличии в них подземных вод (упрощенный расчет). Буквенные обозначения расшифрованы в тексте. 1 – растворимые породы; 2 – водонепроницаемые связные дисперсные породы, перекрывающие растворимые породы; 3 – связные дисперсные породы, подстилаемые и перекрытые несвязными дисперсными породами; 4 – несвязные дисперсные породы; 5 – уровень подземных вод; 6 – пьезометрический уровень воды, присутствующей в растворимых породах.

При естественном протекании карстового процесса верхняя часть заполненной водой полости растворения медленно расширяется на контакте с подошвой водонасыщенных несвязных пород. Когда ее ширина достигнет критической величины, над ней произойдет вывал вышележащих несвязных пород, и в них появится полость обрушения, ограниченная сверху сводом, имеющим форму параболоида вращения (см. рис. 5). Область, внутри которой происходит суффозионно-обвальное разрушение дисперсных пород, будет в этом случае иметь форму, близкую к форме расширяющегося кверху прямого круглого усеченного конуса (см. рис. 3).

Выраженный в метрах радиус нижней части области суффозионно-обвального разрушения водонасыщенных несвязных пород, начинающегося с их обрушения в полость растворения (r₀), может быть рассчитан по формуле:

Оценка возможности вовлечения слоя связных пород в суффозионно-обвальный процесс (рис. 6б)

Ранее отмечалось, что слой связных пород, перекрытый и подстилаемый водонасыщенными несвязными породами, в принципе способен воспрепятствовать развитию суффозионно-обвального процесса. Слой связных пород может сыграть роль такого барьера только при соблюдении условий, выражаемых формулами:

(3)

(4)

где r – радиус области суффозионно-обвального разрушения на уровне подошвы слоя связных пород, м; m_b – его мощность, м; c_b – удельное сцепление слагающих его пород, кПа; γ_b – их удельный вес, кН/м³; ξ_b – коэффициент их бокового давления; φ_b – их угол внутреннего трения, град.; φ – угол внутреннего трения водонасыщенных несвязных пород, перекрывающих слой связных пород, град.; γ'' – удельный вес несвязных пород, насыщенных водой, принимаемый равным 20 кН/м³.

Величина ξ_b может быть рассчитана по известной формуле:

(5)

$\xi = {\text{t}}{{{\text{g}}}^{2}}({{45}^{{^{ \circ }}}} - \varphi {\text{/}}2).$

Универсальная оценка возможности образования карстово-суффозионно-обвального провала и его диаметра

В связи со сложностью соответствующих расчетов целесообразно осуществлять универсальную оценку карстово-суффозионно-обвальной опасности для сооружения с учетом его параметров графоаналитическим способом, как это показано на рис. 7. Графики, имеющие вид двух ломаных линий построены в системе ортогональных координат, где вертикальная ось совпадает с вертикалью, проведенной через центр ожидаемого провала.

Рис. 7.

Схема, иллюстрирующая принцип универсальной оценки возможности образования карстово-суффозионно-обвального провала и его диаметра с учетом параметров сооружения, для которого он представляет угрозу. Цифрами в квадратах показаны номера расчетных уровней, для которых определяется величина r. Цифрами в кружках показаны номера слоев дисперсных пород, включаемых в расчет величины r_kr. Условные обозначения в колонке слева см. на рис. 6. Буквенные обозначения расшифрованы в тексте.

Если графики не пересекаются, карстово-суффозионно-обвальное провалообразование невозможно. В случае же их пересечения, диаметр ожидаемого карстово-суффозионно-обвального провала должен быть равен:

(13)

$d = 2{{r}_{x}},$

где d – диаметр карстово-суффозионно-обвального провала, появление которого вызвано любыми причинами м; r_x – абсцисса точки пересечения графиков.

Сначала удобнее построить график изменения по глубине увеличивающегося снизу верх радиуса области суффозионно-обвального разрушения дисперсных пород (r). Аналитически это изменение выражается формулой:

(14)

${{r}_{n}} = {{r}_{0}} + \sum\limits_{i = 1}^n {{{N}_{i}}\Delta {{m}_{{si}}}} ,$

где r_n – радиус горизонтального сечения области суффозионно-обвального разрушения на расчетном уровне i = n, м; n – количество расчетных уровней; i – порядковый номер расчетного уровня, начиная от кровли первого снизу слоя несвязных пород; N – величина, рассчитываемая по (7), где e и α_w представляют собой параметры несвязных пород, испытывающих суффозионно-обвальное разрушение и залегающих между расчетными уровнями с номерами i и i – 1; Δm_si – их мощность.

Если ожидается, что суффозионно-обвальное разрушение несвязных пород начнется с их обрушения (см. рис. 4), величина r₀ рассчитывается по формулам (1) и (2), а если с разжижения (см. рис. 5), то она принимается равной нулю. Верхняя точка графика изменения по глубине радиуса области суффозионно-обвального разрушения не может занимать положение выше пьезометрического уровня воды, присутствующей в растворимых породах.

Затем строится график изменения по глубине увеличивающейся сверху вниз критической величины радиуса области суффозионно-обвального разрушения дисперсных пород (r_kr), обеспечивающей образование провала. Аналитическое выражение этого изменения выглядит так:

(15)

$\begin{gathered} {{r}_{{krn}}} = 2\left[ {\sum\limits_{i = 1}^n {{{{(\sigma _{y}^{'} + \sigma _{y}^{{''}})}}_{i}}{{m}_{i}}{\text{tg}}{{\varphi }_{i}}} } \right. \\ \left. {\, + 2\sum\limits_{i = 1}^n {{{m}_{i}}{{c}_{i}}} } \right]{\text{/}}\left( {p + \sum\limits_{i = 1}^n {{{\gamma }_{i}}{{m}_{i}}} } \right), \\ \end{gathered} $

(16)

$\sigma _{{yi}}^{'} = \left( {p{{\alpha }_{{i - 1}}} + \sum\limits_{i = 1}^n {{{\gamma }_{{i - 1}}}{{m}_{{i - 1}}}} } \right){{\xi }_{{\;i}}},$

(17)

$\sigma _{{yi}}^{{''}} = \left( {p{{\alpha }_{i}} + \sum\limits_{i = 1}^n {{{\gamma }_{i}}{{m}_{i}}} } \right){{\xi }_{i}}\;,$

где r_krn – критическая величина радиуса горизонтального сечения области суффозионно-обвального разрушения, обеспечивающая обрушение дисперсных пород до подошвы фундамента, начиная с подошвы n-го слоя м; n – количество слоев дисперсных пород, перекрывающих область суффозионно-обвального разрушения до подошвы фундамента; i – порядковый номер слоя, начиная от подошвы фундамента; ( )_i – параметр i-го слоя; $\sigma _{y}^{'}$ – горизонтальное нормальное напряжение в кровле слоя, кПа; – то же, в его подошве, кПа; m – мощность слоя (m₀ = 0), м; φ – угол внутреннего трения слагающих его пород, град.; с – их удельное сцепление, кПа; γ – их удельный вес, кН/м³; р – давление под подошвой фундамента, кПа; ( )_i–1 – параметр слоя, залегающего над i-м; α – коэффициент, значения которого принимаются по табл. 5.8 СП 22.13330.2011¹¹ (α₀ = 1); ξ – коэффициент бокового давления пород, слагающих слой, который рассчитывается по (5).

ВЫВОДЫ

1. Процесс формирования карстово-суффозионно-обвальных провалов характерен для районов распространения растворимых пород, перекрытых несвязными дисперсными породами, которые могут быть отделены от растворимых пород водоупорным слоем. В мировой практике известны случаи, когда появление таких провалов приводило к заметному материальному, социальному и экологическому ущербу.

2. Для образования карстово-суффозионно-обвальных провалов достаточно присутствия в растворимых породах даже не полостей, а расширенных трещин. Причинами этих феноменов часто являются такие техногенные воздействия на геологическую среду, как восстановление уровней подземных вод искусственно сниженных для разных целей (водопонижение, осушение, эксплуатация водоносных горизонтов), так и динамические нагрузки. Карстовые провалы этого генетического типа могут иметь и естественное происхождение.

3. Экспериментальное изучение карстово-суффозионно-обвального провалообразования показало, что этот процесс в достаточной мере детерминирован и имеет в своем развитии определенные ограничения. Это позволяет прогностически оценивать на расчетно-теоретической основе возможность появления таких провалов под фундаментами зданий и сооружений и их ожидаемые диаметры.